JP2008163944A - Reforming system for partial co2 recovery type cycle plant - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、部分的CO2回収式サイクルプラントのための改質システム及び方法に関する。 The present invention relates to a reforming system and method for a partial CO 2 capture cycle plant.
いわゆる温室効果ガスの1種である二酸化炭素(CO2)は、炉及び発電所での化石燃料の燃焼中に生成する。近年の研究で、CO2及びメタン(CH4)や窒素酸化物(N2O)のような他の温室効果ガスの排出が、気候変動に重大な影響を及ぼしかねないことが判明している。CO2その他の温室効果ガスの排出に少なくとも部分的に起因する気候変動の予想は、国際的な関心事となり、京都議定書などの国際協定に結びついている。 Carbon dioxide (CO 2 ), a so-called greenhouse gas, is produced during the burning of fossil fuels in furnaces and power plants. Recent research has shown that emissions of CO 2 and other greenhouse gases such as methane (CH 4 ) and nitrogen oxides (N 2 O) can have a significant impact on climate change. . Anticipation of climate change due, at least in part, to emissions of CO 2 and other greenhouse gases has become an international concern and has been linked to international agreements such as the Kyoto Protocol.
全国的及び国際的な関心事のため、電力生産者は、発電プラントで発生するCO2レベルを減らすことを試みている。多くの最新発電プラントは、天然ガスで燃焼する複合サイクルプラント又は「NGCC」プラントである。これらのプラントは、石炭を燃焼させる発電プラントよりも格段に少量のCO2しか発生しないが、常に厳しくなる排出基準を満たすのは依然として困難である。最近、ヨーロッパの政策立案者は、特定の発電所が年間に排出できるCO2の最大割当量の作成を提案した。この割当量を超えるCO2排出は、過剰量について「炭素税」を支払われなければならないと提案されている。実際、スウェーデンには、既に所々で炭素税がある。同様に、ノルウェー、フィンランド及びオランダでも、最近炭素税が制定されている。同様な炭素税の提案は、大気環境基準を厳しくすることに決めた米国のカリフォルニアその他の州で議論されている。 For national and international concern, power producers have attempted to reduce the CO 2 level generated by the power plant. Many modern power plants are combined cycle plants or “NGCC” plants that burn with natural gas. These plants produce significantly less CO 2 than power plants that burn coal, but it is still difficult to meet ever-stricter emission standards. Recently, European policymakers have proposed creating a maximum CO 2 quota that a particular power plant can emit annually. It is proposed that CO 2 emissions exceeding this quota must be paid a “carbon tax” for the excess. In fact, Sweden already has carbon taxes in places. Similarly, carbon taxes have recently been enacted in Norway, Finland and the Netherlands. Similar carbon tax proposals are being discussed in California and other states in the United States that have decided to tighten air quality standards.
既存の発電プラントは、水蒸気メタン改質(SMR)、自己熱交換式改質(ATR)及び触媒部分酸化(CPO)を利用して、天然ガス(NG)を、ガスタービン発生装置用の水素及び一酸化炭素からなる合成ガス又はリフォーメート、並びにアンモニア製造又は精製装置用の水素に転化することができる。リフォーメートの使用でNOxの排出を減らすことができるが、天然ガス(NG)の改質反応、並びに発電に要する燃焼は、大量の二酸化炭素を発生しかねない。NG全体の改質に必要とされる改質装置は、非常に大規模で広大である必要があろう。さらに、SMR改質装置を使用した場合、改質装置の炉側を2600°Fもの高温で稼動する必要があろう。かかる温度では、SMR改質装置を高価な耐熱合金で作る必要がある。おそらく、さらに重大な障害は、かかる改質装置で発生した大量の二酸化炭素を回収することである。過剰CO2排出を回収するには多量の燃料が必要とされるので、かかる大量の二酸化炭素の回収は費用がかかり、プラント全体の効率が下がる。このように、厳しさを増しつつあるCO2排出基準を順守する能力を既存の発電プラントに与えるには、多大な資本投下が必要とされるであろう。
そこで、NGを転化させ、生成CO2の一部を回収するための安価な低温改質装置を利用することができる発電プラントに対するニーズが存在する。かかるシステムでは、低温で稼動し、効率を高めるためリサイクル流を使用し、プラントの年間割当量を超えて発生したCO2排出だけを回収して高価な炭素税を避けることによって、資本及び運転費用が低減する。さらに、既存のNGCC発電プラントを改造してこのようなシステムを組み込むことができれば有益である。 Therefore, there is a need for a power plant that can convert an NG and use an inexpensive low-temperature reformer for recovering a part of the produced CO 2 . Such systems operate at low temperatures, use recycle streams to increase efficiency, and recover capital and operating costs by collecting only CO 2 emissions that exceed the annual quota of the plant and avoiding expensive carbon taxes. Is reduced. Furthermore, it would be beneficial if an existing NGCC power plant could be modified to incorporate such a system.
本願では、二酸化炭素を部分的に回収する天然ガス複合サイクルシステム並びにその稼働方法について開示する。一実施形態では、複合サイクルシステムは、約800℃未満の温度で稼動して、第1燃料と水蒸気とを含む混合燃料流を改質して第1リフォーメート流を生成するように構成されたプレ−水蒸気−メタン−改質装置を含む改質装置ユニット、第1リフォーメート流中の一酸化炭素を二酸化炭素に転化させて第2リフォーメート流を生成するように構成された水−ガス−転化反応器を含む転化反応ユニット、第2リフォーメート流から二酸化炭素を除去し、二酸化炭素流及び第3リフォーメート流を生成するように構成された二酸化炭素除去ユニットであって、第1燃料中に含まれる炭素の約50%未満を二酸化炭素として回収する二酸化炭素除去ユニット、第3リフォーメート流及び第2燃料の混合物を受け入れて電力及び排気ガス流を発生させるように構成されたガスタービンユニットであって、排気ガス流が混合燃料流を改質するための熱を供給するガスタービンユニット、及び排気ガス流を受け入れるように構成された水蒸気発生器ユニットであって、排気ガス流の熱を水流に伝達して冷却排気ガス流及び水蒸気タービンのための水蒸気及び混合燃料流を生成する水蒸気発生器ユニットを備える。 The present application discloses a natural gas combined cycle system that partially recovers carbon dioxide and an operation method thereof. In one embodiment, the combined cycle system is configured to operate at a temperature less than about 800 ° C. to reform a mixed fuel stream that includes a first fuel and steam to produce a first reformate stream. A reformer unit including a pre-steam-methane-reformer, water-gas configured to convert carbon monoxide in the first reformate stream to carbon dioxide to produce a second reformate stream A conversion reaction unit including a conversion reactor, a carbon dioxide removal unit configured to remove carbon dioxide from a second reformate stream to produce a carbon dioxide stream and a third reformate stream, wherein the carbon dioxide removal unit is in a first fuel. Accepts a mixture of carbon dioxide removal unit, third reformate stream and second fuel that recovers less than about 50% of the carbon contained in as carbon dioxide and generates electric power and exhaust gas stream A gas turbine unit configured to allow the exhaust gas stream to supply heat for reforming the mixed fuel stream, and a steam generator unit configured to receive the exhaust gas stream And a steam generator unit for transferring heat of the exhaust gas stream to the water stream to generate a cooled exhaust gas stream and steam and a mixed fuel stream for the steam turbine.
部分的に二酸化炭素を回収して発電する方法は、プレ−水蒸気−メタン−改質装置で第1燃料と水蒸気とを含む混合燃料流を改質して水素と一酸化炭素と水蒸気とを含む第1リフォーメート流を生成させ、水−ガス−転化反応器で水蒸気及び第1リフォーメート流中の一酸化炭素を二酸化炭素と水素とを含む第2リフォーメート流に転化させ、二酸化炭素除去ユニットで第2リフォーメート流から二酸化炭素を除去して二酸化炭素流及び第3リフォーメート流を生成させて、第1燃料中に含まれる炭素の約50%未満を二酸化炭素として回収し、ガスタービンユニットで第3リフォーメート流と第2燃料流との混合物を燃焼させて電力を発生させ、排気ガス流を生成させ、熱回収水蒸気発生器で排気ガス流中の熱を利用して水蒸気を発生させ、水蒸気で電力を発生させるとともに第1燃料との混合燃料流を生成させることを含む。 A method of generating electricity by partially recovering carbon dioxide includes hydrogen, carbon monoxide, and steam by reforming a mixed fuel stream including a first fuel and steam in a pre-steam-methane-reformer. A first reformate stream is generated, and in a water-gas-conversion reactor, water vapor and carbon monoxide in the first reformate stream are converted to a second reformate stream containing carbon dioxide and hydrogen, and a carbon dioxide removal unit And removing carbon dioxide from the second reformate stream to generate a carbon dioxide stream and a third reformate stream, and recovering less than about 50% of the carbon contained in the first fuel as carbon dioxide, a gas turbine unit To burn the mixture of the third reformate stream and the second fuel stream to generate electric power, to generate an exhaust gas stream, and to generate steam by using heat in the exhaust gas stream with a heat recovery steam generator. It comprises generating the mixed fuel stream to the first fuel with generating electric power with steam.
別の実施形態では、複合サイクルシステムは、熱回収水蒸気発生器を含む複合ユニットであって、熱回収水蒸気発生器が2以上のステージを含んでいて、第1ステージがプレ−水蒸気−メタン−改質装置を備えており、該プレ−水蒸気−メタン−改質装置が、約800℃未満の温度で稼動し、高温ガスタービン排気ガス流からの熱を利用して混合燃料流を改質して第1リフォーメート流を生成するように構成されており、第2ステージで、排気ガス流からの熱を利用して水蒸気を生成させる複合ユニット、第1リフォーメート流中の一酸化炭素を二酸化炭素に転化させて第2リフォーメート流を生成するように構成された、水−ガス−転化反応器を含む転化反応ユニット、第2リフォーメート流から二酸化炭素を除去て二酸化炭素流と第3リフォーメート流とを生成するように構成された二酸化炭素除去ユニットであって、第1燃料中に含まれる炭素の約50%未満を二酸化炭素として回収する二酸化炭素除去ユニット、及び第2燃料及び第3リフォーメート流を受け入れ、電力及び排気ガス流を発生するように構成されたガスタービンユニットを備える。 In another embodiment, the combined cycle system is a combined unit including a heat recovery steam generator, wherein the heat recovery steam generator includes two or more stages, and the first stage is pre-steam-methane-modified. The pre-steam-methane-reformer operates at a temperature of less than about 800 ° C. and utilizes the heat from the hot gas turbine exhaust gas stream to reform the mixed fuel stream. A composite unit configured to generate a first reformate stream and generating water vapor using heat from the exhaust gas stream in the second stage, and carbon monoxide in the first reformate stream to carbon dioxide A conversion reaction unit comprising a water-gas-conversion reactor configured to convert to a second reformate stream, removing carbon dioxide from the second reformate stream and removing the carbon dioxide stream and the third reformate stream. A carbon dioxide removal unit configured to generate a formate stream, wherein the carbon dioxide removal unit recovers less than about 50% of the carbon contained in the first fuel as carbon dioxide, and the second fuel and the third fuel. A gas turbine unit is provided that is configured to receive the reformate stream and generate a power and exhaust gas stream.
以下、図面を参照するが、図面では同様の要素には同様の符号を付した。 In the following, reference is made to the drawings, in which like elements are given like reference numerals.
本願では、プレ−水蒸気−メタン−改質装置(SMR)及び部分的CO2回収ユニットを利用する複合サイクル発電システム及び方法について開示される。複合サイクルシステムは、熱回収を利用して、水蒸気の生成のためにガスタービン排気ガス中のエネルギーを回収することによって、Rankine(水蒸気タービン)とBrayton(ガスタービン)の熱力学的サイクルを組み合わせる。従来の改質装置を使用する従来技術の複合サイクルプラントと対比すると、本願で開示するシステム及び方法では、特定の許容範囲を超えるCO2排出量の回収に天然ガスの(NG)の一部のみを改質するため低温プレ−SMRを用いるという利点がある。従来のSMRでは、メタンを水素に完全に転化させるには反応を高温、例えば1000℃超の温度で起こさなければならない。しかし、本願で開示するプレ−SMRでは、反応温度は、約550℃〜約800℃、具体的には約600℃〜約750℃、さらに具体的には650℃である。燃料流中の炭素の約50%未満を回収することが望まれるので、プレ−SMRで必要とされるのはメタンから水素及び一酸化炭素への70%以下の転化効率のみである。さらに、本願で開示するシステムは、プレ−SMRへ送り込まれるNG及び水蒸気を予熱するため、プレ−SMR及び水−ガス−転化(WGS)反応器から出るリフォーメートの熱の回収に再生式熱交換器を用いてシステム全体の効率を高める。また、プレ−SMRは、既存の熱回収水蒸気発生器(HRSG)を改造して組み込むことができ、分離したSMRユニットに伴う追加の資本コストもスペースも必要とせずに、本発明のシステムの利益を得ることができる。 The present application discloses a combined cycle power generation system and method that utilizes a pre-steam-methane-reformer (SMR) and a partial CO 2 capture unit. A combined cycle system utilizes heat recovery to combine Rankine (steam turbine) and Brayton (gas turbine) thermodynamic cycles by recovering energy in the gas turbine exhaust for steam generation. In contrast to prior art combined cycle plants that use conventional reformers, the systems and methods disclosed herein provide only a portion of natural gas (NG) for the recovery of CO 2 emissions that exceed a specified tolerance. There is an advantage that a low temperature pre-SMR is used to improve the temperature. In conventional SMR, the reaction must occur at a high temperature, for example, above 1000 ° C., to completely convert methane to hydrogen. However, in the pre-SMR disclosed herein, the reaction temperature is about 550 ° C to about 800 ° C, specifically about 600 ° C to about 750 ° C, more specifically 650 ° C. Since it is desired to recover less than about 50% of the carbon in the fuel stream, only a conversion efficiency of less than 70% from methane to hydrogen and carbon monoxide is required in pre-SMR. Further, the system disclosed herein regenerative heat exchange to recover the heat of reformate exiting the pre-SMR and water-gas-conversion (WGS) reactors to preheat NG and water vapor fed to the pre-SMR. To increase the efficiency of the entire system. The pre-SMR can also be retrofitted to an existing heat recovery steam generator (HRSG), without the additional capital cost and space associated with a separate SMR unit, and the benefits of the system of the present invention. Can be obtained.
本明細書で用いる用語は、説明のためのものであり、限定を目的としたものではない。本明細書に記載した構造及び機能の詳細は、限定的に解釈すべきではなく、特許請求の範囲の基礎として当業者が本発明を様々に利用できるように教示するための代表的な情報源である。さらに、本明細書で用いる「第1」、「第2」などの用語は、順序又は重要性を意味するものではなく、ある要素を、他のものから区別するために用いるものであり、単数形で記載したものであっても、量を限定するものではなく、そのものが1以上存在することを意味する。量について用いる修飾語「約」は、標記の数値を含むだけでなく、文脈に応じた意味を有する(例えば、特定の量の測定に付随する誤差を含む。)。さらに、特定の成分の量又は測定値に関する範囲はすべて、上下限を含むとともに、独立に結合できる。 The terminology used herein is for the purpose of description and is not intended to be limiting. The details of structure and function described herein should not be construed as limiting, but are representative sources for teaching those skilled in the art to use the present invention in various ways as a basis for the claims. It is. Furthermore, terms such as “first”, “second”, etc., as used herein do not imply order or importance, but are used to distinguish one element from another, Even if it is described in the form, it does not limit the amount, but means that one or more of them exist. The modifier "about" used for a quantity not only includes the indicated numerical value, but also has a contextual meaning (eg, includes errors associated with the measurement of a particular quantity). Further, all ranges relating to the amount or measurement of a particular component include upper and lower limits and can be combined independently.
図1は、発電してCO2排出を回収するための例示的なNGCC発電システム10を表す。発電システム10は、プレ−SMR14を有する改質装置ユニット12及び熱交換器16を備える。改質装置ユニット12は、第1燃料18と水蒸気20を混合燃料流22として受け入れて、一酸化炭素、水素、未転化燃料及び水蒸気からなる第1リフォーメート流24を生成する。熱交換器16は、第1リフォーメート流24からの熱を混合燃料流22に伝達し、冷却第1リフォーメート流26と加熱混合燃料流28とを生成する。発電システム10は、転化反応ユニット30をさらに備える。冷却第1リフォーメート流26は、転化反応ユニット30に送られ、第1リフォーメート流26中の一酸化炭素(CO)と水蒸気はWGS反応器32で二酸化炭素と水素に転化される。第2リフォーメート流34はWGS反応器を出て熱交換器36に入る。熱交換器36は、第2リフォーメート流34から熱を第1燃料18に伝達して、冷却第2リフォーメート流38と加熱第1燃料18とを生成する。冷却第2リフォーメート流38はCO2除去ユニット40に送られる。CO2除去ユニット40はアミン吸収塔42と再生塔44とを備えていて、冷却第2リフォーメート流28から二酸化炭素を除去して、二酸化炭素流46と、水素、一酸化炭素及び未転化燃料を含む第3リフォーメート流48とを生成する。
FIG. 1 represents an exemplary NGCC
第3リフォーメート流48は、第2燃料50と混合され、水素濃縮燃料流52を形成し、これは、ガスタービンユニット54に送られる。適宜、第3リフォーメート流48の一部58を水素化脱硫(HDS)ユニット(60)に送って、第1燃料18のHDS処理に必要とされる水素を供給してもよい。ガスタービンユニット54は、圧縮機62、燃焼器64、ガスタービン66及び発電機68を備える。酸化剤70は、水素濃縮燃料流52と混合する前に圧縮機62で圧縮される。圧縮された酸化剤72と水素濃縮燃料流52は、燃焼器64で燃焼され、熱エネルギーと高温圧縮燃焼排気ガス混合物74を発生し、ガスタービン66に送られる。圧縮燃焼排ガス混合物74は膨張してタービンを駆動した後、水蒸気発生器ユニット78に排気ガス流76として排出される。ガスタービン排気ガス流76の一部(77)はプレ−SMR14に分流され、混合燃料流28を改質するための熱を供給する。膨張高圧混合ガスによるタービンの回転は、当業者に周知の方法で発電機68で電力に変換される。
The
水蒸気発生ユニット78は、HRSG80、水蒸気タービン84及び水蒸気発生器86を備える。排気ガス76からの熱を利用して水蒸気20を発生させるため、HRSG80は3つのステージ81、82及び83を有する。水蒸気20を第1燃料18と合流させて混合燃料流22を形成する。水蒸気20は、さらに、プレ−SMR14で改質反応を進行させるとともに、水蒸気タービン84及び水蒸気発生器86を介して発電するのにも使用される。水蒸気発生器ユニット78は、水蒸気タービン出口流90を凝縮して水流92を形成するための凝縮器88をさらに備えていてもよい。水流92は、水蒸気発生のためにHRSG80にリサイクルしてもよい。冷却排気ガス流94は環境に排出してもよい。
The
再度、改質装置ユニット12について説明すると、プレ−SMR14は従来の水蒸気改質法で第1燃料を改質するように構成されている。しかし、プレ−SMRは、既存のSMR改質装置よりも低温で燃料を改質する。従って、以下でさらに詳しく説明する通り、NG中のメタンは、合成ガス(水素及びCOを含む)に部分的にしか転化されない。燃料18は適当なガス又は液体を含むものであればよい。説明の便宜上、以下、第1燃料18をNGとして説明する。NGとは、主成分のメタンを、様々な量のエタン、プロパン、ブタンその他のガスと共に含む混合ガスをいう。典型的には、NGCCシステム10へのNG供給量の約5〜約50%をプレ−SMR14に供給できる。具体的には、NG供給物の約10〜約30%、さらに具体的には約20%がプレ−SMR14で転化される。天然ガスの主成分はメタン(CH4)であり、これが2段階反応で水蒸気と反応して水素と二酸化炭素とを生成する。図1に示すような技術では、第1の反応はプレ−SMR14で起こり、以下の反応(1)でメタンが水蒸気と反応して水素と一酸化炭素を生成する。
The
CH4+H2O ⇔ CO+3H2 ΔHo 298=+251kJmol−1 (1)
水蒸気改質反応(1)は吸熱性である。そのため、水蒸気改質プロセスはエネルギー集約的であり、改質プロセス全体にかなりの熱が必要とされる。上述の通り、プレ−SMR14は、約500℃〜約800℃、具体的には約600℃〜約700℃、さらに具体的には650℃の反応温度で稼動する。第1燃料18中の炭素の約50%未満を回収することが望まれるので、プレ−SMR14ではメタンからの水素及び一酸化炭素への約70%以下の転化効率しか必要とされない。そのため、プレ−SMRは低温で稼動させることができ、稼動コスト及び高価な耐熱合金がが不要であるので資本コストを削減できる。プレ−SMR14は、吸熱反応(1)の熱を高温ガスタービン排気ガス流からSMR触媒へと伝達するための多数の管を備えていてもよい。加熱混合燃料流28は、水蒸気改質用触媒を通して、水素、CO、CO2、未転化燃料及び水蒸気の混合物を含む第1リフォーメート流24へと転化される。次いで、ガスタービン排気ガス流の冷却部分77は、大気に排出する準備のために排気筒へ送ることができる。プレ−SMR触媒は、当業者に公知の従来のSMR触媒、例えばニッケル系触媒などでよい。適宜、改質装置ユニット12は、第1燃料18に水蒸気20を混合するために好適な供給原料サチュレータ回路をさらに備えていてもよい。
CH 4 + H 2 O⇔CO + 3H 2 ΔH o 298 = + 251 kJmol −1 (1)
The steam reforming reaction (1) is endothermic. As such, the steam reforming process is energy intensive and requires significant heat throughout the reforming process. As described above, the pre-SMR 14 operates at a reaction temperature of about 500 ° C. to about 800 ° C., specifically about 600 ° C. to about 700 ° C., more specifically 650 ° C. Since it is desired to recover less than about 50% of the carbon in the
第1リフォーメート流24を適宜熱交換器16で冷却した後、冷却第1リフォーメート流26は転化反応ユニット30に入る。水蒸気改質プロセスの第2反応がWGS反応器32中で起こり、冷却第1リフォーメート流26の中のCO及び水蒸気は以下の反応(2)でCO2と水素に転化される。
After the
CO+H2O ⇔ CO2+H2 ΔH=−41.16kJ/mol (2)
シフト反応(2)は穏やかに発熱し、転化触媒の存在下で起こる。従って、第1リフォーメート流26は、反応の進行に伴って触媒層を横切る温度が上昇する。転化触媒としては、高温転化触媒(HTS)又は低温転化触媒(LTS)又はHTSとLTS触媒との組合せが挙げられる。WGS反応器32における反応温度は200℃〜約600℃である。ただし、低温に維持すると反応(2)が右にずれて、水素とCO2の発生量が増し、水蒸気とCOの生成量が減る。したがって、WGS反応器は約300℃〜約400℃の温度域、さらに具体的には約350℃で稼動できる。第1リフォーメート流26のCO2及び水素への転化は、第2リフォーメート流34を生じる。さらに、改質装置ユニット12及び転化反応ユニット30は、(図1に示すように)装置の別個の部分でもよいし、プレ−SMR14及びWGS反応器32の両方を含む装置の単一部分でもよい。
CO + H 2 O⇔CO 2 + H 2 ΔH = −41.16 kJ / mol (2)
Shift reaction (2) is mildly exothermic and takes place in the presence of a conversion catalyst. Accordingly, the temperature of the
二酸化炭素除去ユニット40は、アミン吸収塔42及び再生塔44を備えていてもよい。第2リフォーメート流34は、アミンを用いたCO2の化学吸収を促進するため熱交換器36で適当な温度に冷却してもよい。この技術は、比較的に低温でCO2を吸収でき、リッチソルベントの昇温によって容易に再生できるアルカノールアミン溶媒に基づく。この技術で使用される溶媒としては、例えばトリエタノールアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン、ジグリコールアミン、メチルジエタノールアミンなどが挙げられる。上述の通り、回収CO2は、第1燃料18中の炭素の約50%未満とし得る。年間CO2排出割当量を超える排出量についてのペナルティ税を避けるのに十分なCO2が回収される。しかし、完全なCO2回収を有する従来技術のシステムに比べて、本発明のシステムでは、資本投下及び運転費用が低減し、エネルギー効率は増す。こうして生成・回収したCO2流46は、所望の場所に容易に輸送できる。例えば、CO2は、貯蔵(隔離)に適した地下構造物或いは原油増進回収法(EOR)のため油田に注入できる場所、或いは製造プロセスに使用される場所に輸送すればよい。
The carbon dioxide removal unit 40 may include an
二酸化炭素除去ユニット40からの残存流は、主に水素、CO、未利用燃料及び水を含む第3リフォーメート流48である。この流れは、燃焼のためガスタービンユニット54に送られる。適宜、この流れの一部58をHDSユニット60に送ってもよい。HDSユニット60で、第1燃料18に含まれる硫黄は、HDSユニット60の脱硫カラムの水添脱硫器によって硫化水素に転化される。硫化水素は次いでHDSユニット60の脱硫カラム下流の硫黄吸収器又は吸着ユニットで吸着・除去される。硫黄は、プレ−ストリーム改質触媒を被毒しかねないので、第1燃料18から硫黄を除去するのが有利である。HDSプロセスに必要とされる水素は、独立した水素源の流れを必要とせず、第3リフォーメート流48の一部58を分流することによって、閉ループサイクルで供給される。HDSユニット60は、約200℃〜約400℃、具体的には約250℃〜約350℃の温度で稼動できる。HDSプロセスで用いる触媒は、既存のHDS触媒、例えばSud Chemie社又はHaldor Topsoe社から市販のもの、例えばコバルト及びモリブデンの硫化物、或いはニッケル及びモリブデンでよい。
The remaining stream from the carbon dioxide removal unit 40 is a
第3リフォーメート流48と第2燃料50は、ガスタービンユニット54に入る前に、混合されて水素濃縮燃料流52を形成する。第2燃料は、発電システム10に送られた燃料、すなわちNGの残りを含む。典型的に、NGCCシステム10へのNG供給物の約50〜約95%はガスタービンユニット54の燃料として消費し得る。特にNG供給物の約70〜約90%、さらに具体的に約80%が燃焼器64で消費され、複合サイクルプラントの全CO2の約10%を回収できる。水素濃縮燃料流52は燃焼器64に噴射されて、圧縮酸化剤72の存在下で燃焼し、高温圧縮燃焼排ガス混合物74を生ずる。水素濃縮燃料は、第2燃料50単独の使用に比べて、燃焼器64内での火炎安定性を拡げ、燃焼はより希薄(リーン)であり、火炎温度を低くできる。この結果、燃焼器64中の低い火炎温度により、燃焼器排気ガスの窒素酸化物排出量は低減する。また、燃焼器は、第2燃料50だけを用いる燃焼器に比べて、さらにターンダウンできる能力をもつ。さらに、天然ガスに水素を添加することによって、発電と同時に低い排出を維持するための燃焼器の動作可能ウインドウが拡大する。高温圧縮混合ガス74は燃焼器64を出て、ガスタービン66を通り、そこで高温圧縮混合ガス74が部分的に冷却及び膨張して機械力を発生する。機械力は発電装置68で電力に変換される。膨張して部分的に冷却された排気ガス76はガスタービン66を出て、水蒸気発生器ユニット78に入る。
The
水蒸気発生器ユニット78はHRSG80を備えており、排気ガス76から廃熱を回収して水蒸気20を発生させる。HRSG80は排気ガス76を冷却し、水蒸気20を生成するための3つのステージ81、82及び83を有する。水蒸気20の一部は水蒸気タービン84に送られ、そこで水蒸気20が膨張及び冷却して機械力を発生する。この機械力は発電装置86で電力に変換される。膨張して冷却された水蒸気はタービン84を出て、凝縮器88でさらに冷却・凝縮して、HRSG80に導入される水流92を形成する。次いで冷却排気ガス94は、大気中に排出のために排気筒に送られる。上述の通り、水蒸気20の残りは第1燃料18と合流して混合燃料流22を形成し、次いでプレ−SMR14へ送られる。プレ−SMR14に水蒸気20の残りを送ると、好都合なことに、リフォーメーション反応の進行に必要な水蒸気を供給するための追加の水蒸気発生器をシステム10が有している必要がなくなる。
The
次いで図2を参照すると、第2の例示的な発電システム100を例示する。図1の第1の実施形態と共通の要素についての説明は省略した。
Referring now to FIG. 2, a second exemplary
図2で、HRSG80の第1ステージ81(図1に示す)はプレ−SMR96である。図2の発電システム100は、水蒸気発生器ユニット78(図1)を改質装置ユニット12(図1)と組み合わせて複合ユニット98を形成する。HRSG80の第1ステージ96は、プレ−SMRとして機能するように改造される。HRSG80は、シェルチューブ型熱交換器とし得る。その場合、プレ−SMR触媒は、HRSG80の第1ステージのチューブ側(低温側)に充填できる。排気ガス76は、HRSG80の第1ステージ96のシェル側(高温側)に通せばよい。第1ステージ96は、約600℃〜約900℃の温度域で稼動するように構成される。予熱混合燃料流28は、第1の実施形態で説明した通り、第1ステージ96のチューブ内のプレ−SMR触媒を通過して燃料を改質し、第1リフォーメート流24を生成する。第1ステージ96のシェル側を流れる高温ガスタービン排気ガス76は、上述の通り、吸熱水蒸気改質反応(1)の進行に必要な熱を供給する。HRSG80の残りのステージ82及び83は、水92に排気ガス76中の熱の残りを伝達し、水蒸気20を生成する。適宜、熱を第1リフォーメート流24から混合燃料流22に伝達するための複合ユニット98の部分として、熱交換器16を備えていてもよい。
In FIG. 2, the first stage 81 (shown in FIG. 1) of the
HRSG80の第1ステージ96をプレ−SMRに改造することによって、本発明の部分的CO2回収式NGCC発電システムに要する資本費が減る。別個のプレ−SMRの建造コストが節約され、かかるユニットの設置に必要な空間も同様に節約される。さらに、大半の発電プラントがHRSGを含むので、これらのユニットがプレ−SMRステージを備えるように改造することができ、既存のNGCCプラントで本発明の部分的CO2回収システムの低コストの利点を得るのに、既存の発電プラントの改造に必要な費用及び空間を削減できる。
By modifying the
上述の通り、本発明のシステムで用いる燃料は好ましくはNGを含む。ただし、本システムでは、例えばバイオガス(主にメタンを含む)、LPガス(LPG)、ナフサ、ブタン、プロパン、ディーゼル、灯油、エタノール、メタノール、航空燃料、石炭誘導燃料、バイオ燃料、含酸素炭化水素原料及びこれらの混合物などのいかなる好適なガス又は液体も燃料として使用できるように構成してもよい。第1燃料18及び第2燃料50のいずれも、各々本明細書に記載したこれらの燃料の具体例から選択できる。一実施形態では、第1燃料18及び第2燃料50は同じである。本発明のシステムで用いる酸化剤70は、酸素を含むガス、例えば空気、酸素リッチ空気、低酸素空気、空気分離ユニット(ASU)からの酸素などを含むことができる。
As mentioned above, the fuel used in the system of the present invention preferably contains NG. However, in this system, for example, biogas (mainly including methane), LP gas (LPG), naphtha, butane, propane, diesel, kerosene, ethanol, methanol, aviation fuel, coal-derived fuel, biofuel, oxygenated carbonization Any suitable gas or liquid such as a hydrogen feed and mixtures thereof may be configured to be used as fuel. Each of the
本明細書に記載したNGCC発電システムは、多くの利点を有する。部分的メタン転化用に構築された低温・低コストプレ−SMRユニットをシステムに組み込むことによって、メタンの完全転化用に構築された完全なSMR改質装置を用いるシステムに比べて、燃料コスト、資本コスト及びエネルギーコストを削減できる。同様に、資本及びエネルギーコストは、燃料流の全炭素含有量を回収するのとは対照的に、CO2の一部(炭素税を避けるのに必要な回収量)だけを回収することによって削減される。また、好適に配置された熱交換器の使用及びシステム全体のリサイクルループは全体的効率を向上させる。さらに、本発明の部分的CO2回収式NGCCシステムは、既存のNGCC発電プラントを改造して組み込むことができ、排出量を低減して排出ペナルティ又は炭素税を回避することができる。本発明のシステムの低温での稼動及び小さいサイズは、これらが、大きな資本投下なしで、最小不動産しか有していない既存のプラントに組み込むことができることを意味している。 The NGCC power generation system described herein has many advantages. By incorporating a low temperature, low cost pre-SMR unit built for partial methane conversion into the system, fuel costs and capital costs compared to a system using a complete SMR reformer built for full methane conversion And energy costs can be reduced. Similarly, capital and energy costs are reduced by recovering only a portion of CO 2 (recovery necessary to avoid carbon tax) as opposed to recovering the total carbon content of the fuel stream. Is done. Also, the use of suitably arranged heat exchangers and the overall system recycle loop improves overall efficiency. Furthermore, the partial CO 2 capture NGCC system of the present invention can be retrofitted into an existing NGCC power plant to reduce emissions and avoid emission penalties or carbon taxes. The low temperature operation and small size of the system of the present invention means that they can be incorporated into existing plants that have minimal real estate without significant capital investment.
本発明を例示的な実施形態に関して説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなしに様々な変更が多分なされるであろうし、均等物でこの要素を置換し得ることは、当業者によって理解されるであろう。さらに、多くの改変が、本発明の必須の範囲を逸脱することなく、発明の教示に特定の状況又は材料を適応させるように行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として本発明の特定の実施形態に限定されず、付属する特許請求の範囲に入るすべての実施形態を含むであろうということが意図されている。 Although the present invention has been described in terms of exemplary embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that various changes may be made without departing from the scope of the present invention, and equivalent elements may be substituted. Will be understood. In addition, many modifications may be made to adapt a particular situation or material to the teachings of the invention without departing from the essential scope of the invention. Accordingly, the invention is not limited to the specific embodiments of the invention as the best mode contemplated for carrying out the invention, but will include all embodiments that fall within the scope of the appended claims. Is intended.
10 NGCC発電システム
12 改質装置ユニット
14 プレ−水蒸気−メタン改質装置
16 熱交換器
18 第1燃料
20 水蒸気
22 混合燃料流
24 第1リフォーメート流
26 冷却第1リフォーメート流
28 加熱混合燃料流
30 転化反応ユニット
32 水−ガス−転化反応器
34 第2リフォーメート流
36 熱交換器
38 冷却第2リフォーメート流
40 二酸化炭素除去ユニット
42 アミン吸収塔
44 再生塔
48 第3リフォーメート流
50 第2燃料
52 水素濃縮燃料流
54 ガスタービンユニット
58 部分
60 水素化脱硫ユニット
62 圧縮機
64 燃焼器
66 ガスタービン
68 発電装置
70 酸化剤
72 圧縮酸化剤
74 排気ガス混合物
76 ガスタービン排気ガス流
77 部分
78 水蒸気発生器ユニット
80 熱回収水蒸気発生器
81 第1ステージ
82 第2ステージ
83 第3ステージ
84 水蒸気タービン
86 水蒸気発生器
88 凝縮器
90 水蒸気タービン排出流
92 水流
94 冷却排気ガス流
96 プレ−水蒸気−メタン−改質装置
98 複合ユニット
100 複合サイクル発電システム
DESCRIPTION OF
Claims (10)
約800℃未満の温度で稼動して、第1燃料(18)と水蒸気(20)とを含む混合燃料流(22)を改質して第1リフォーメート流(24)を生成するように構成されたプレ−水蒸気−メタン−改質装置(14,96)を備える改質装置ユニット(12)、
第1リフォーメート流中の一酸化炭素を二酸化炭素に転化させて第2リフォーメート流(34)を生成するように構成された水−ガス−転化反応器(32)を備える転化反応ユニット(30)、
第2リフォーメート流から二酸化炭素を除去して二酸化炭素流(46)と第3リフォーメート流(48)とを生成するように構成された二酸化炭素除去ユニット(40)であって、第1燃料中に含まれる炭素の約50%未満を二酸化炭素として回収する二酸化炭素除去ユニット(40)、
第3リフォーメートと第2燃料(50)との混合物を受け入れて電力及び排気ガス流(74)を発生するように構成されたガスタービンユニット(54)であって、排気ガス流が混合燃料流を改質するための熱を供給するガスタービンユニット(54)、及び
排気ガス流を受け入れるように構成された水蒸気発生器ユニット(78)であって、排気ガス流の熱を水流(92)に伝達して冷却排気ガス流(94)及び水蒸気タービンのための水蒸気(84)及び混合燃料流を生成する水蒸気発生器ユニット(78)
を備える複合サイクルシステム(10,100)。 A combined cycle system (10,100),
Operated at a temperature less than about 800 ° C. and configured to reform a mixed fuel stream (22) comprising a first fuel (18) and water vapor (20) to produce a first reformate stream (24). Reformer unit (12) comprising an improved pre-steam-methane-reformer (14, 96),
A conversion reaction unit (30) comprising a water-gas conversion reactor (32) configured to convert carbon monoxide in the first reformate stream to carbon dioxide to produce a second reformate stream (34). ),
A carbon dioxide removal unit (40) configured to remove carbon dioxide from a second reformate stream to produce a carbon dioxide stream (46) and a third reformate stream (48), the first fuel A carbon dioxide removal unit (40) for recovering less than about 50% of the carbon contained therein as carbon dioxide,
A gas turbine unit (54) configured to receive a mixture of a third reformate and a second fuel (50) to generate electric power and an exhaust gas stream (74), wherein the exhaust gas stream is a mixed fuel stream. A gas turbine unit (54) for supplying heat for reforming the steam, and a steam generator unit (78) configured to receive an exhaust gas stream, wherein the heat of the exhaust gas stream is converted to a water stream (92) A steam generator unit (78) that communicates to produce a cooled exhaust gas stream (94) and a steam (84) and mixed fuel stream for the steam turbine
A combined cycle system (10,100) comprising:
プレ−水蒸気−メタン−改質装置(14,96)で、約800℃未満の温度で、第1燃料(18)と水蒸気(20)とを含む混合燃料流(22)を改質して水素と一酸化炭素と水蒸気とを含む第1リフォーメート流(24)を生成させ、
水−ガス転化反応器(32)で、水蒸気及び第1リフォーメート流中の一酸化炭素を、二酸化炭素と水素とを含む第2リフォーメート流(34)に転化させ、
二酸化炭素除去ユニット(40)で、第2リフォーメート流から二酸化炭素を除去して二酸化炭素流(46)と第3リフォーメート流(48)とを生成させ、第1燃料中に含まれる炭素の約50%未満を二酸化炭素除去ユニットで二酸化炭素として回収し、
ガスタービンユニット(54)で、第3リフォーメート流と第2燃料流(50)との混合物を燃焼させて電力を発生させ、排気ガス流(76)を生成させ、
熱回収水蒸気発生器(80)で、排気ガス流中の熱を利用して水蒸気を発生させ、水蒸気で電力を発生させるとともに第1燃料(18)との混合燃料流(22)を生成させる
ことを含んでなる方法。 A method for generating electricity by partially recovering carbon dioxide,
A pre-steam-methane-reformer (14,96) reforms the mixed fuel stream (22) containing the first fuel (18) and steam (20) at a temperature below about 800 ° C. to produce hydrogen. Producing a first reformate stream (24) comprising carbon monoxide and water vapor;
In a water-gas conversion reactor (32), steam and carbon monoxide in the first reformate stream are converted to a second reformate stream (34) comprising carbon dioxide and hydrogen;
In the carbon dioxide removal unit (40), carbon dioxide is removed from the second reformate stream to generate a carbon dioxide stream (46) and a third reformate stream (48), and the carbon contained in the first fuel Less than about 50% is recovered as carbon dioxide in the carbon dioxide removal unit,
In the gas turbine unit (54), a mixture of the third reformate stream and the second fuel stream (50) is burned to generate electric power, and an exhaust gas stream (76) is generated.
A heat recovery steam generator (80) generates steam using heat in the exhaust gas stream to generate electric power with the steam and generate a mixed fuel stream (22) with the first fuel (18). Comprising a method.
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